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沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征

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沉积物 天然气 水合物 微观 分布 模式 及其 声学 响应 特征
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· 天然气工业 2010年3月 沉积物中天然气水合物微观分布模式及其 声学响应特征 胡高伟 业渝光 张剑 。 刁少波 1.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室 2.国土资源部青岛海洋地质研究所 3.中国地质大学地球科学学院 胡高伟等.沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征.天然气工业,2010,30(3):120—124. 摘要 天然气水合物(以下简称水合物)的微观分布与其形成条件、流体运移通道等密切相关,对天然气水合物资 源勘探与评价具有重要意义。为了解水合物在固结沉积物和松散沉积物中的微观分布及其声学响应特征,采用超声和 时域反射联合探测技术实时测量了沉积物中水合物生成、分解过程果表明,在固结沉积物 中,水合物先在孔隙流体中形成,随后逐渐向骨架靠拢,当饱和度大于3O 后水合物开始胶结沉积物颗粒生成,这种胶 结模式会圈闭部分孔隙流体,使之因得不到气源的补充而难以形成水合物,因此固结沉积物中水合物饱和度最终为 65.5 左右;在松散沉积物中,少量的水合物(饱和度1%左右)胶结沉积物颗粒生成,当饱和度大于1 后水合物开始在 孔隙流体中以悬浮状形态生成,由于水合物与沉积物颗粒间尚有流体运移通道,水合物能进一步生成,最终几乎完全充 填沉积物孔隙。不同的水合物微观分布特征对沉积物的声速具有不同影响:水合物在孔隙流体中生成时,1O 饱和度的 水合物对固结沉积物的声速影响不明显;当水合物胶结沉积物颗粒生成时,约1 饱和度的水合物可使松散沉积物的纵 波速度增长200~300 m/s。 关键词 天然气水合物 微观分布 纵波速度 横波速度 饱和度 超声探测技术 声学响应特征 权重方程 0.3787/J.000—0976.2010.03.031 获取沉积物的天然气水合物(以下简称水合物)声 学响应特征,可反过来研究水合物的微观分布,对 水合物的勘探、资源评价及形成机制研究等都具有重 要的指导意义。 笔者采用超声和时域反射联合探测技术,实时探 测了固结沉积物和松散沉积物中天然气水合物饱和度 与声速之间的关系,并利用声速等参数与现有岩石物 理模型探索水合物在沉积物中的分布模式,具有重要 的理论和实践意义。 1实验材料与方法 1.1实验装置与材料 实验在青岛海洋地质研究所水合物实验室地球物 理模拟实验装置上进行,该装置主要由高压反应釜及 内筒、温控系统、压力控制系统、测试系统(包括超声探 测和时域反射探测)和数据采集系统5大功能模块组 成(图1)。实验过程为:在高压反应釜中模拟海底真 实的温度压力条件,使水合物在沉积物中形成,同时采 用超声探测技术和时域反射技术(时探测全过程中沉积介质的声学参 数和水合物饱和度。为加快水合物生成进程,实验采 用300 的二烷基硫酸钠)溶液和 99.99 甲烷生成水合物。实验的详细介绍见本文参 考文献[8]、[9]。 1.2实验方法与原理 实验采用超声探测技术和物样品的纵、横波速度和含水量。超声探测装置主 要包括换能器、信号发生卡和数据采集卡3个部分。 将两换能器紧贴于测试岩心的两端获取超声波形,采 用的发射频率为0.5 加拿大金项目:国家自然科学基金项目(编号:40576028)、“我国海域天然气水合物资源调查评价”专项项目(编号: 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室基金项目(编号: 作者简介:胡高伟,1982年生,博士研究生;主要从事天然气水合物模拟实验方面的研究工作。地址:(266071)山东省青岛市福 州南路62号青岛海洋地质研究所。电话:(0532)85710043,15954801295。E—63.3能源 图1实验装置图 (左图为天然气水合物地球物理模拟实验装置示意图;右图为高压反应釜截面示意图。2只力 由釜外的一压力传感器测量;反应釜上端一金属顶杆紧压换能器,使两换能器能紧贴于样品两端获取声学参数 同轴型含水量) 的据分析 波形的首波分别得出纵、横波的总体走时t 和t。,用 样品长度分别除以纵、横波在样品中的走时时间,即可 得到纵、横波速度。 1502采用物的含水量,并认为其测量精度与量 土壤含水量的精度相当,即为±2 ~2.5 。因此,本 实验没有再对含水量的测量精度及误差进行标定,而 是重点试验了温度(2O~0.5℃)、压力(1~7 因素对含水量测试的影响口引。结果表明,温度和压力 对别为±1.6 (含水 量±0.73 )和±0.5O(含水量±0.23 )。含水量的过程为:根据的介电常数,再利用。。的经验公式计算 含水量( 、,),从而可以根据孔隙度( )和公式S 一( —0v)/ ×100 9/6来计算水合物饱和度。 2实验结果与分析 实验主要在两种类型的沉积物(人工固结岩心和 松散沉积物)中进行。人工固结岩心的各参数如表1 所示,由于所采用的莫来石是一种具有高骨架速度的 材料,对于含饱和水的固结岩心(孔隙度为40.18 ), 其纵波速度( )为4 242 m/s,横波速度( 。)为2 530 m/s(图2)。当水合物形成时,纵、横波速度均随着水 表1 人工固结岩心实验中材料及参数表 ’ 图2 固结沉积物中水合物生成、分解过程各参数变化情况图 (T ,丁合物生成而增大,待水合物大量生成后,保持釜内的温 度和压力1~2 d,使水合物尽可能多的充填孔隙。尽 管如此,水合物始终没有完全充填孔隙,实验仅获取了 水合物饱和度(S )为0~65.5 9/6时各参数的变化情 况。利用获取的实验数据建立了固结沉积物中水合物 饱和度与声速之间的关系(图3)。结果表明,在同一 天然气工业 2010年3月 图3 固结沉积物中声速随水合物饱和度变化情况图 饱和度时,在水合物分解过程中获取的纵波速度高于 在水合物生成过程中获取的纵波速度,横波速度也是 如此。由于难以判断野外勘探中水合物是出于生成阶 段还是分解阶段,故采用同一饱和度下声速的平均值 建立了固结沉积物中水合物饱和度与声速之间的关系 (图3):当水合物饱和度小于10 时,声速随水合物饱 和度变化不明显;饱和度大于1O 后声速随水合物饱 和度增加而增大,且在10 ~3O 问声速增长最快。 松散沉积物为采自于青岛海边的天然砂,粒径为 0.18~0.25 物质成分及含量如表2所示。由 于难以探测松散沉积物的横波速度,本文实验仅获取 了纵波速度随水合物生成和分解的变化情况(图4)。 表2松散沉积物矿物成分及参数表 结果表明,水合物刚开始生成时,纵波速度有一个陡然 增大的现象,随后由于超声衰减极大,纵波速度难以获 取口 。水合物完成生成时,含水合物松散沉积物的纵 波速度为2 780 m/含饱和水沉积物的声速 增长1 000 m/3水合物微观分布特征及其影响因素 用上述实验数据验证了前人提出的速 度模型,结果表明,在固结沉积物中,结合 出的权重方程和 提出的准确预测含水合物固结 沉积物的纵横波速度;在松散沉积物中, 提出的等效介质理论可准确预测含 水合物松散沉积物的纵波速度。由于理模型上将水合物视为基质中的一种矿物成分看 待,等效介质理论的3种模式则分别指示水合物在孔 隙流体中、与沉积物颗粒接触或与沉积物颗粒胶结,因 此,笔者利用这些速度模型探讨了不同类型沉积物中 水合物的分布及其影响情况。 3.1 固结沉积物 利用权重方程和值标绘在图5中。当水合物饱和度低于40 时,利 用权重方程预测的纵波速度与实测纵波速度一致,结 合权重方程与 。公式,预测的横波速 度与实测值一致;当水合物饱和度大于3O 时,利用 。这表明,当水合物饱和度小于3O 时,水合物可 能在孔隙流体中形成(图6一a),并慢慢向骨架靠拢,当 水合物饱和度大于3O 9/6后,水合物开始胶结沉积物颗 粒生成。且随着水合物逐渐增多,水合物胶结沉积物 颗粒封闭了一定的孑6_b),被封闭的这部分 流体由于得不到气源的供给无法进一步生成水合物。 因此固结沉积物中,水合物饱和度仅为65.5 左右。 图4松散沉积物中水合物生成、分解过程中各参数变化情况图 图5权重方程和>∞ 台乏 ¨ \ , 第3 能 源 被圈闭的孔隙流体 (a) (b) 口沉移{物 口水 ■水合物 图6 固结沉积物中水合物微观分布图 3.2松散沉积物 . 利用等效介质理论的3种模式预测的纵波速度与 实测的纵波速度标绘在图7中。由图可以看出,当水 合物饱和度小于1 时,等效介质理论结模 式)预测的纵波速度与实测值一致;当水合物饱和度大 /% 图7等效介质理论预测的纵波速度与实测值比较图 于1 后,等效介质理论浮模式)预测的纵 波速度值与实测值一致。由此可以推断,少量的水合 物(饱和度小于1 )先胶结沉积物颗粒生成(图8'b), 随后,水合物在孔隙流体中以悬浮状形态生成(图8一 c)。由于水合物并没有完全胶结沉积物颗粒,水合物 与沉积物颗粒间存在的缝隙使气体能运移至孑,从而有利于水合物的进一步生成。因此,松散沉积 物实验中,水合物最终几乎完全充填满了沉积物孔隙。 水合物胶当 {物颗粒 水合物在流体中 图8松散沉积物中水合物微观分布图 松散沉积物中的水合物微观分布已由 过9)。结果表明水合物 和沉积物颗粒间由水隔开,即水合物以悬浮状形态存 在于孔隙流体中,与笔者实验中利用声速所推测的结 果一致。 图9由合物、气和沉积物颗粒分布图 注:为游离气;为水合物 3.3声学响应特征 在固结沉积物实验中,笔者发现低饱和度的水合 物(饱和度小于10 )对声速影响不明显的现象,这种 现象也被不同学者所捕捉_】 ]。经上述分析后认为, 水合物在沉积物孔隙流体中形成,对声速影响不大,可 能是造成这一现象的原因。而当水合物胶结沉积物颗 粒时,其对声速的影响则可能成倍增长,如在松散沉积 物中,微量的水合物(饱和度1 左右)即可使纵波速 度增长200~300 m/s。可见,在天然气水合物的资源 评价中,了解水合物的微观分布同样具有重要的作用。 4结论与展望 对不同类型沉积物中水合物的微观分布进行了声 学探测模拟实验研究。结果表明,利用声学探测技术 可以灵敏探测水合物在沉积物的微观分布:在固结沉 积物中,水合物在饱和度小于30 时在孔隙流体中形 成,或部分依附于骨架生成,在饱和度大于3O 时胶 结沉积物颗粒生成;在松散沉积物中,水合物在饱和度 小于1 时胶结沉积物颗粒生成,在饱和度大于1 时 在孔隙流体中形成。 水合物的微观分布对沉积物内气体运移通道具有 重要影响:在固结沉积物中,水合物在饱和度大于 3O%后胶结沉积物颗粒,使沉积孔隙中部分流体被“封 闭”,得不到气源的供给而不能进一步生成水合物;而 在松散沉积物中,大部分水合物因在孔隙流体中生成 (只有最初1 饱和度的水合物胶结沉积物颗粒),未 堵塞流体运移通道,因此水合物几乎能完全充填孑·124· 天然气工业 2010年3月 水合物的微观分布对沉积物的声学性质具有重要 影响:在固结沉积物中,由于在孔隙流体中生成,0~ 1O%饱和度的水合物对声速影响甚小;在松散沉积物 中,由于水合物胶结沉积物颗粒生成,微量的水合物(饱 和度1%左右)使纵波速度陡增。这表明,了解水合物的 微观分布对水合物资源估算具有重要的指导作用。 本文利用声学探测成功研究了水合物的微观分 布,在将来的应用上可能更具有普遍性。但是,其不足 之处是不能直接观测沉积物中的水合物微观分布。因 此,如果能将 对水合物的勘探、资源评价及其形成机制等具有更重 要的指导意义。 参考文 献 [1],,,et of ].999,26(2):1781 B,,,et in ].1999,26:2021[3] J, F, H,et on ].007,56(1/3):127[4] F, J, H.in J].004,89:1202—1207. 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